Японский элемент: Трансурановая гонка в таблице Менделеева продолжается
Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) 30 декабря 2015 года выпустил официальный пресс-релиз, посвященный открытию новых химических элементов с атомными номерами 113, 115, 117 и 118. Официально объявлено, что IUPAC по результатам работы совместного комитета Международного союза теоретической и прикладной химии и Международного союза теоретической и прикладной физики утвердил открытие новых химических элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомными номерами 113, 115, 117 и 118.
Событие, замечательное само по себе, привлекло к себе внимание еще и тем, что неожиданно стало своеобразным катализатором неутихающих приоритетных споров. И волны от него расходятся до сих пор. Чтобы лучше понять сущность происходящего, надо сказать несколько слов о химической и физической сущности этого естественно-научного достижения.
Бесконечная таблица Менделеева
Когда в XIX веке Дмитрий Менделеев сформулировал свой закон, ему было известно 63 химических элемента. К 1940 году была заполнена практически вся таблица Менделеева до номера 92 - урана - включительно. (Кроме элемента 61, прометий; открыт в 1945 году.) Надо сказать, что уран - это своего рода Рубикон в таблице Менделеева: последний элемент, распространенный в естественном виде в земной коре, живет около 1 млрд лет. Все последующие трансурановые элементы в буквальном смысле - творение рук человеческих. В природе их нет - были, но давно уже распались. И чем дальше за уран, тем меньше время существования новых атомов - до тысячных и десятитысячных долей секунды. Именно по этой причине эксперименты по их синтезу и регистрации очень трудоемки и требуют тщательной подготовки. Любой человек, у которого хватило терпения не сбежать с первых школьных уроков химии, непременно задавался вопросом: что там дальше, за последним "нормальным", более или менее стабильным химическим элементом в таблице Менделеева?
Еще в 1993 году в беседе с корреспондентом "НГ", тогда член-корреспондент РАН и директор Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна), а сейчас - академик Юрий Оганесян рассказывал: "На сегодняшний день синтезированы и охарактеризованы элементы по 109-й включительно. Сейчас готовится элемент 110. И тут обнаружилась интересная закономерность: чем тяжелее новый элемент (больше порядковый номер, соответствующий числу протонов в ядре), тем меньше период его полураспада - вплоть до тысячных долей секунды. Но вот что важно. Все элементы после 104-го хоть и живут доли секунды, но это время жизни уже практически не изменяется с ростом номера. Таким образом, если всю совокупность химических элементов представить как некий полуостров в море нестабильности, то, вообще-то говоря, нет никаких оснований заявлять, что "земля" бесследно исчезает в морской пучине. Да, она уходит под "воду", но потом появляются "острова повышенной стабильности" - супертяжелые элементы. По крайней мере теоретики уже давно вычисляют "координаты" подобных "островов стабильности".
Принципиальный способ достижения этих "островов" был известен уже и тогда. Одновременно с ростом числа протонов в ядре (то есть с ростом порядкового номера в таблице Менделеева) необходимо усиленно наращивать и число нейтронов. При числе нейтронов в ядре 184, где-то в районе 114-го номера в таблице Менделеева, как раз и должен появиться такой остров стабильности. Время жизни этого гипотетического элемента оценивается в несколько миллионов лет! Весь вопрос в том, как "вбить" в ядро эти 184 нейтрона. Вот этим и занимается академик Оганесян.
Уже в 1993 году Юрий Цолакович подчеркивал: "Полученные результаты открывают совершенно новые перспективы для кардинального развития работ по синтезу новых элементов таблицы Менделеева... Выходит, что ядерная материя неоднородна. И если забираться все дальше в ее глубины, то мы можем синтезировать элементы, которые существовали на Земле 4,5 миллиарда лет назад, во время ее рождения, и которые, казалось бы, уже безвозвратно исчезли. В буквальном смысле слова мы творим первозданную природу. Получение первых двух супертяжелых трансурановых долгожителей - это фактически тест на правильность всей ядерной теории".
Сверхтяжелая гонка
Понятно, что в работу по поиску (синтезу) далеких трансурановых элементов таблицы Менделеева включились сразу несколько научных лабораторий в мире - в России, США, Германии, Японии.
В результате многолетней и интенсивной работы физиками-ядерщиками были синтезированы 17 новых элементов, вплоть до 112-го. Время жизни 112-го - 0,00002 секунды. Но вот 114-й и 116-й элементы живут в десятки и сотни тысячи раз дольше.
Вот краткая хронология этой гонки.
1994 год: группа ученых из Германии, России, Словакии, Финляндии - всего 13 человек, работавшая под руководством немецкого физика Петера Армбрустера в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштадте (ФРГ), заявила об открытии нового элемента с атомным номером 110.
1995 год: в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштадте (ФРГ) синтезирован элемент № 112 - аналог ртути.
1999 год: американские физики сообщили о наблюдении трех цепочек распада 118-го элемента, синтезированного в реакции слияния свинца и криптона. Их опыты пытаются повторить в Дармштадте - безрезультатно; у японцев и французов также отрицательный результат.
2000 год: под руководством академика Юрия Оганесяна в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне был синтезирован элемент 114.
2003 год: в ОИЯИ, совместно с группой из Ливерморской национальной лаборатории (США), синтезированы 115-й и 113-й элементы таблицы Д.И. Менделеева.
2004 год: на ускорителе в ОИЯИ был получен 116-й элемент.
В 2011 году IUPAC утвердил обозначения элементов с номерами 110, 111 и 112 - дармштадтий, рентгений и коперниций. Официальные символы новых элементов Ds, Rg и Cn соответственно. Для понимания, о каких элементах идет речь: время жизни дармштадтия - 240 микросекунд.
Юрий Оганесян на фоне "карты", где уже обозначен, в правом верхнем углу, остров стабильности сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева. Фото Юрия Туманова, ОИЯИ
В 2012 году IUPAC официально утвердил названия 114-го и 116-го элементов таблицы Менделеева. Элемент под номером 114 получил название "флеровий" (Flerovium) и символическое обозначение Fl. Элемент 116 - "ливерморий" (Livermorium) - Lv (кстати, время жизни этого элемента - 50 миллисекунд). Флеровий назвали в честь Лаборатории ядерных реакций имени Флерова, где он был синтезирован. Элемент получил имя Георгия Николаевича Флерова (1913-1990), советского физика, академика, основателя Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В 1940 году он открыл новый тип радиоактивных превращений - спонтанное деление ядер урана.
В январе 2016 года IUPAC официально объявил, что приоритет в открытии новых элементов таблицы Менделеева признан:
113-й элемент - коллаборация института РИКЕН (Япония);
115-й и 117-й элементы - коллаборация Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Ливерморской национальной лаборатории (США) и Окриджской национальной лаборатории (США);
118-й элемент - коллаборация Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия) и Ливерморской национальной лаборатории (США).
Синтез 115-го, 117-го и 118-го элементов осуществлен в Дубне в ОИЯИ на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в реакциях ускоренных ионов кальция-48 с актинидными мишенями (америций-243 - 115-й элемент, берклий-249 - 117-й элемент, калифорний-249 - 118-й элемент). Позднее полученные в Дубне результаты были подтверждены учеными Германии (ГСИ, Дармштадт) и США (Беркли).
Несчастливый 113-й номер
В целом синтез 114-118-го элементов (признанный лидер данных работ - академик РАН Юрий Цолакович Оганесян) - первое экспериментальное открытие "островов стабильности" в области сверхтяжелых элементов. Это имеет принципиальное фундаментальное значение для ядерной физики (исследование структуры ядра), химии (проверка основополагающего закона периодичности свойств химических элементов Д.И. Менделеева), для понимания одного из ключевых вопросов современной науки - образования тяжелых ядер (процесса нуклеосинтеза).
Всего за последние 50 лет Периодическая система Д.И. Менделеева пополнилась 17 новыми элементами (102-118), из которых в ОИЯИ синтезировано 9. В том числе в последние 10 лет - 5 наиболее тяжелых (сверхтяжелых) элементов, замыкающих периодическую таблицу...
И в этот момент физическая гонка за сверхтяжелыми элементами уступает место сугубо символической гонке в присвоении им официальных названий. Это понятно и объяснимо - престиж, увековечивание имени на многие века и проч., и проч.
Так, ученые, работающие в ОИЯИ, неоднократно уже предлагали назвать 115-й элемент - московий в честь Московского региона, где выполнены данные исследования по синтезу этого элемента. Что касается "новичков" таблицы Менделеева - 117-го и 118-го элементов, вопрос об их наименовании открыт и будет обсуждаться представителями ОИЯИ с коллегами из Ливермора и Окриджа.
Загвоздка вышла с наименованием 113-го элемента.
Реально впервые 113-й элемент (изотоп с массой 284 и временем жизни около 1 секунды) зарегистрирован в ОИЯИ в 2003 году. "Чуть позднее (в 2004 году) нашими коллегами из РИКЕН (Япония) группой профессора К. Морито осуществлен первый эксперимент по облучению мишени висмута-209 ускоренными ионами цинка-70, в котором был зарегистрирован изотоп 113 элемента с массой 278 и временем жизни несколько миллисекунд, - подчеркивается в официальном пресс-релизе ОИЯИ. - В целом эксперимент продолжался более 10 лет, и суммарно было зарегистрировано всего 4 события синтеза нового элемента. В то же время в Дубне за этот период было зарегистрировано около 100 событий рождения элемента 113 и, более того, выполнены пионерские эксперименты по изучению его химических свойств. Факт синтеза изотопа 113 с массой 284 подтвержден в Дармштадте (Германия) и Беркли (США). Эксперимент же наших японских коллег вряд ли кто повторит: получение миллисекундного изотопа с необходимым временем облучения несколько лет для получения одного ядра - малоперспективное занятие".
Однако совместный комитет Международного союза теоретической и прикладной химии и Международного союза теоретической и прикладной физики признал приоритет за РИКЕН. В ОИЯИ заявляют, что "это несколько неожиданное для нас решение". Тем более в практике IUPAC, как уже отмечалось выше, не единичны прецеденты признания совместного приоритета (примеры 103-й, 104-й и 105-й элементы, авторство открытия которых отдано ОИЯИ (Дубна) и Беркли (США).
"Мы рады за наших коллег из РИКЕН, тем более что руководитель работ проф. К. Морита в определенной степени ученик Дубны, где он в ОИЯИ в течение достаточно длительного времени познавал азы синтеза новых элементов, - отмечают в ОИЯИ. - Однако избранный учеными РИКЕН метод синтеза сверхтяжелых элементов себя полностью исчерпал, и сегодня они планируют будущие эксперименты только по предложенному в Дубне методу".
Между тем очень вероятно, что 113-й будет назван японием в честь Страны восходящего солнца.
"Дальнейшее развитие данных исследований ОИЯИ связывает с созданием в институте первой в мире Фабрики Сверхтяжелых Элементов на базе нового самого мощного в данной области энергий ускорителя тяжелых ионов с интенсивностью, в 10 раз превышающей достигнутую на сегодня, - подчеркивает пресс-секретарь ОИЯИ Борис Старченко. - Это позволит ставить задачи синтеза новых элементов с атомными номерами 119 и 120 и далее, то есть первых элементов 8-го периода Периодической таблицы Д.И. Менделеева".
Как бы там ни было, но официальное подтверждение открытия 113-го, 115-го, 117-го и 118-го элементов - это серьезный материал для поиска ответов на вопрос: есть ли границы периодической системы? Но и практические следствия этой работы - самые фантастические. Например, если критическая масса урана составляет около 20 кг, то критическая масса сверхтяжелых элементов может быть всего несколько миллиграммов.
Андрей Ваганов
Событие, замечательное само по себе, привлекло к себе внимание еще и тем, что неожиданно стало своеобразным катализатором неутихающих приоритетных споров. И волны от него расходятся до сих пор. Чтобы лучше понять сущность происходящего, надо сказать несколько слов о химической и физической сущности этого естественно-научного достижения.
Бесконечная таблица Менделеева
Когда в XIX веке Дмитрий Менделеев сформулировал свой закон, ему было известно 63 химических элемента. К 1940 году была заполнена практически вся таблица Менделеева до номера 92 - урана - включительно. (Кроме элемента 61, прометий; открыт в 1945 году.) Надо сказать, что уран - это своего рода Рубикон в таблице Менделеева: последний элемент, распространенный в естественном виде в земной коре, живет около 1 млрд лет. Все последующие трансурановые элементы в буквальном смысле - творение рук человеческих. В природе их нет - были, но давно уже распались. И чем дальше за уран, тем меньше время существования новых атомов - до тысячных и десятитысячных долей секунды. Именно по этой причине эксперименты по их синтезу и регистрации очень трудоемки и требуют тщательной подготовки. Любой человек, у которого хватило терпения не сбежать с первых школьных уроков химии, непременно задавался вопросом: что там дальше, за последним "нормальным", более или менее стабильным химическим элементом в таблице Менделеева?
Еще в 1993 году в беседе с корреспондентом "НГ", тогда член-корреспондент РАН и директор Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна), а сейчас - академик Юрий Оганесян рассказывал: "На сегодняшний день синтезированы и охарактеризованы элементы по 109-й включительно. Сейчас готовится элемент 110. И тут обнаружилась интересная закономерность: чем тяжелее новый элемент (больше порядковый номер, соответствующий числу протонов в ядре), тем меньше период его полураспада - вплоть до тысячных долей секунды. Но вот что важно. Все элементы после 104-го хоть и живут доли секунды, но это время жизни уже практически не изменяется с ростом номера. Таким образом, если всю совокупность химических элементов представить как некий полуостров в море нестабильности, то, вообще-то говоря, нет никаких оснований заявлять, что "земля" бесследно исчезает в морской пучине. Да, она уходит под "воду", но потом появляются "острова повышенной стабильности" - супертяжелые элементы. По крайней мере теоретики уже давно вычисляют "координаты" подобных "островов стабильности".
Принципиальный способ достижения этих "островов" был известен уже и тогда. Одновременно с ростом числа протонов в ядре (то есть с ростом порядкового номера в таблице Менделеева) необходимо усиленно наращивать и число нейтронов. При числе нейтронов в ядре 184, где-то в районе 114-го номера в таблице Менделеева, как раз и должен появиться такой остров стабильности. Время жизни этого гипотетического элемента оценивается в несколько миллионов лет! Весь вопрос в том, как "вбить" в ядро эти 184 нейтрона. Вот этим и занимается академик Оганесян.
Уже в 1993 году Юрий Цолакович подчеркивал: "Полученные результаты открывают совершенно новые перспективы для кардинального развития работ по синтезу новых элементов таблицы Менделеева... Выходит, что ядерная материя неоднородна. И если забираться все дальше в ее глубины, то мы можем синтезировать элементы, которые существовали на Земле 4,5 миллиарда лет назад, во время ее рождения, и которые, казалось бы, уже безвозвратно исчезли. В буквальном смысле слова мы творим первозданную природу. Получение первых двух супертяжелых трансурановых долгожителей - это фактически тест на правильность всей ядерной теории".
Сверхтяжелая гонка
Понятно, что в работу по поиску (синтезу) далеких трансурановых элементов таблицы Менделеева включились сразу несколько научных лабораторий в мире - в России, США, Германии, Японии.
В результате многолетней и интенсивной работы физиками-ядерщиками были синтезированы 17 новых элементов, вплоть до 112-го. Время жизни 112-го - 0,00002 секунды. Но вот 114-й и 116-й элементы живут в десятки и сотни тысячи раз дольше.
Вот краткая хронология этой гонки.
1994 год: группа ученых из Германии, России, Словакии, Финляндии - всего 13 человек, работавшая под руководством немецкого физика Петера Армбрустера в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштадте (ФРГ), заявила об открытии нового элемента с атомным номером 110.
1995 год: в Центре исследований тяжелых ионов в Дармштадте (ФРГ) синтезирован элемент № 112 - аналог ртути.
1999 год: американские физики сообщили о наблюдении трех цепочек распада 118-го элемента, синтезированного в реакции слияния свинца и криптона. Их опыты пытаются повторить в Дармштадте - безрезультатно; у японцев и французов также отрицательный результат.
2000 год: под руководством академика Юрия Оганесяна в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне был синтезирован элемент 114.
2003 год: в ОИЯИ, совместно с группой из Ливерморской национальной лаборатории (США), синтезированы 115-й и 113-й элементы таблицы Д.И. Менделеева.
2004 год: на ускорителе в ОИЯИ был получен 116-й элемент.
В 2011 году IUPAC утвердил обозначения элементов с номерами 110, 111 и 112 - дармштадтий, рентгений и коперниций. Официальные символы новых элементов Ds, Rg и Cn соответственно. Для понимания, о каких элементах идет речь: время жизни дармштадтия - 240 микросекунд.
Юрий Оганесян на фоне "карты", где уже обозначен, в правом верхнем углу, остров стабильности сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева. Фото Юрия Туманова, ОИЯИ
В 2012 году IUPAC официально утвердил названия 114-го и 116-го элементов таблицы Менделеева. Элемент под номером 114 получил название "флеровий" (Flerovium) и символическое обозначение Fl. Элемент 116 - "ливерморий" (Livermorium) - Lv (кстати, время жизни этого элемента - 50 миллисекунд). Флеровий назвали в честь Лаборатории ядерных реакций имени Флерова, где он был синтезирован. Элемент получил имя Георгия Николаевича Флерова (1913-1990), советского физика, академика, основателя Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В 1940 году он открыл новый тип радиоактивных превращений - спонтанное деление ядер урана.
В январе 2016 года IUPAC официально объявил, что приоритет в открытии новых элементов таблицы Менделеева признан:
113-й элемент - коллаборация института РИКЕН (Япония);
115-й и 117-й элементы - коллаборация Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Ливерморской национальной лаборатории (США) и Окриджской национальной лаборатории (США);
118-й элемент - коллаборация Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия) и Ливерморской национальной лаборатории (США).
Синтез 115-го, 117-го и 118-го элементов осуществлен в Дубне в ОИЯИ на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в реакциях ускоренных ионов кальция-48 с актинидными мишенями (америций-243 - 115-й элемент, берклий-249 - 117-й элемент, калифорний-249 - 118-й элемент). Позднее полученные в Дубне результаты были подтверждены учеными Германии (ГСИ, Дармштадт) и США (Беркли).
Несчастливый 113-й номер
В целом синтез 114-118-го элементов (признанный лидер данных работ - академик РАН Юрий Цолакович Оганесян) - первое экспериментальное открытие "островов стабильности" в области сверхтяжелых элементов. Это имеет принципиальное фундаментальное значение для ядерной физики (исследование структуры ядра), химии (проверка основополагающего закона периодичности свойств химических элементов Д.И. Менделеева), для понимания одного из ключевых вопросов современной науки - образования тяжелых ядер (процесса нуклеосинтеза).
Всего за последние 50 лет Периодическая система Д.И. Менделеева пополнилась 17 новыми элементами (102-118), из которых в ОИЯИ синтезировано 9. В том числе в последние 10 лет - 5 наиболее тяжелых (сверхтяжелых) элементов, замыкающих периодическую таблицу...
И в этот момент физическая гонка за сверхтяжелыми элементами уступает место сугубо символической гонке в присвоении им официальных названий. Это понятно и объяснимо - престиж, увековечивание имени на многие века и проч., и проч.
Так, ученые, работающие в ОИЯИ, неоднократно уже предлагали назвать 115-й элемент - московий в честь Московского региона, где выполнены данные исследования по синтезу этого элемента. Что касается "новичков" таблицы Менделеева - 117-го и 118-го элементов, вопрос об их наименовании открыт и будет обсуждаться представителями ОИЯИ с коллегами из Ливермора и Окриджа.
Загвоздка вышла с наименованием 113-го элемента.
Реально впервые 113-й элемент (изотоп с массой 284 и временем жизни около 1 секунды) зарегистрирован в ОИЯИ в 2003 году. "Чуть позднее (в 2004 году) нашими коллегами из РИКЕН (Япония) группой профессора К. Морито осуществлен первый эксперимент по облучению мишени висмута-209 ускоренными ионами цинка-70, в котором был зарегистрирован изотоп 113 элемента с массой 278 и временем жизни несколько миллисекунд, - подчеркивается в официальном пресс-релизе ОИЯИ. - В целом эксперимент продолжался более 10 лет, и суммарно было зарегистрировано всего 4 события синтеза нового элемента. В то же время в Дубне за этот период было зарегистрировано около 100 событий рождения элемента 113 и, более того, выполнены пионерские эксперименты по изучению его химических свойств. Факт синтеза изотопа 113 с массой 284 подтвержден в Дармштадте (Германия) и Беркли (США). Эксперимент же наших японских коллег вряд ли кто повторит: получение миллисекундного изотопа с необходимым временем облучения несколько лет для получения одного ядра - малоперспективное занятие".
Однако совместный комитет Международного союза теоретической и прикладной химии и Международного союза теоретической и прикладной физики признал приоритет за РИКЕН. В ОИЯИ заявляют, что "это несколько неожиданное для нас решение". Тем более в практике IUPAC, как уже отмечалось выше, не единичны прецеденты признания совместного приоритета (примеры 103-й, 104-й и 105-й элементы, авторство открытия которых отдано ОИЯИ (Дубна) и Беркли (США).
"Мы рады за наших коллег из РИКЕН, тем более что руководитель работ проф. К. Морита в определенной степени ученик Дубны, где он в ОИЯИ в течение достаточно длительного времени познавал азы синтеза новых элементов, - отмечают в ОИЯИ. - Однако избранный учеными РИКЕН метод синтеза сверхтяжелых элементов себя полностью исчерпал, и сегодня они планируют будущие эксперименты только по предложенному в Дубне методу".
Между тем очень вероятно, что 113-й будет назван японием в честь Страны восходящего солнца.
"Дальнейшее развитие данных исследований ОИЯИ связывает с созданием в институте первой в мире Фабрики Сверхтяжелых Элементов на базе нового самого мощного в данной области энергий ускорителя тяжелых ионов с интенсивностью, в 10 раз превышающей достигнутую на сегодня, - подчеркивает пресс-секретарь ОИЯИ Борис Старченко. - Это позволит ставить задачи синтеза новых элементов с атомными номерами 119 и 120 и далее, то есть первых элементов 8-го периода Периодической таблицы Д.И. Менделеева".
Как бы там ни было, но официальное подтверждение открытия 113-го, 115-го, 117-го и 118-го элементов - это серьезный материал для поиска ответов на вопрос: есть ли границы периодической системы? Но и практические следствия этой работы - самые фантастические. Например, если критическая масса урана составляет около 20 кг, то критическая масса сверхтяжелых элементов может быть всего несколько миллиграммов.
Андрей Ваганов